термоелектричний ефект

термоелектричний ефект

Термоелектричний ефект також виникає при контакті двох різнорідних металів. При різній температурі місць контакту (Т1 і T2 ) В замкнутому ланцюзі з двох металів виникає термоелектричний струм (рис.1), тобто якщо ланцюг розірвати в довільному місці, то на кінцях ланцюга з’явиться термоЕРС. На ім’я першовідкривача це явище отримало назву ефекту Зеєбека.

термоелектричний ефект

Рис.1. Ілюстрація термоелектричного ефекту: а) загальний випадок, б) термопара

На деякому температурному інтервалі термоЕРС #&49; прямо пропорційна різниці температур контактів (спаїв):

де аT — коефіцієнт, що характеризує диференціальну питому термоЕРС, що залежить від природи контактуючих провідників і температури Т1 і Т2 .

Ця термо-е.р.с. пояснюється трьома причинами.

Перша з них зумовлена ​​температурною залежністю контактної різниці потенціалів, так як в металах зі збільшенням температури рівень Фермі уменьшаеться. Отже, на холодному кінці провідників він буде вище, ніж на гарячому, внаслідок цього рівновага порушується і виникає контактна складова термоЕРС.

Друга складова термоЕРС обумовлена ​​дифузією носіїв заряду від гарячих спаїв до холодних, так як середня енергія електронів в металі змінюється від температури. Тоді електрони, зосереджені на гарячому кінці, будуть мати більшу кінетичну енергію і більшою швидкістю руху в порівнянні з електронами холодного кінця. Отже, вони будуть дифундувати в напрямку від гарячого кінця до холодного.

Третя складова термоЕРС виникає в контурі внаслідок захоплення електронів квантами теплової енергії (фононами). Їх потік також поширюється до холодного кінця.

Слід зазначити, що термоелектричний ефект є оборотним. Тобто, якщо через ланцюг, що складається з двох різних провідників, пропустити електричний струм, то тепло буде виділятися в одному контакті і поглинатися в іншому.

Зворотний ефект був відкритий Жаном Пельтьє і названий його ім’ям. Теплота Пельтьє пов’язана з силою струму лінійкою залежністю на відміну від теплоти Джоуля, і в залежності від напрямку струму відбувається нагрівання або охолодження спаю.

Термоелектричний ефект покладено в основу роботи термоелементів (термопар), що перетворюють теплову енергію в електричну. Термопари набули широкого поширення в вимірювальної техніки для вимірювання температур.

З точки зору практичного використання мілівольтметр термопари підключається відповідно до рис.1, б. Таке включення дозволяє мати тільки одне місце спаю різнорідних металів, яке є рецептором температури в вимірюваної точці, а другий контакт (холодний) металів забезпечується через вимірювальний прилад. Очевидно, що для отримання однозначності перетворення теплової енергії. В електричну відповідно до вираження (1) необхідно забезпечити стабілізацію температури холодного контакту.

Необхідно відзначити, що згідно з поданими поясненнями причин виникнення термоЕРС в однорідному провіднику, тобто виготовленому з одного металу, при наявності градієнта температури на кінцях його також виникає різниця потенціалів. Її значення, віднесене до одиничної різниці температур на кінцях провідника, називається абсолютною питомої термоЕРС. Отже, в термопарі диференціальна питома термоЕРС aT являє собою різницю абсолютних питомих термоЕРС складових її провідників:

де і — абсолютні питомі термоЕРС контактують металів А і В.

З виразу (2) випливає, що якщо відомо абсолютне значення питомої термоЕРС одного матеріалу, прийнятого за зразок, то для будь-якого іншого матеріалу цей параметр легко отримати експериментально за допомогою вимірів щодо цього еталону. Для визначення абсолютних термоЕРС як еталон, як правило, використовується свинець, у якого термоелектричні властивості виражені дуже слабо. Знак термоЕРС вважається негативним, якщо гарячий кінець провідника заряджається позитивно. Чисельні значення абсолютної питомої термоЕРС для різних металів і сплавів наводяться в довідковій літературі, наприклад: [l, 2]. см. лаб. раб. N5.

5.189.137.82 © studopedia.ru Чи не є автором матеріалів, які розміщені. Але надає можливість безкоштовного використання. Є порушення авторського права? Напишіть нам.

термоелектричний ефект

Землі можна пояснити термоелектричним ефектом. чинним в хімічно та температурно неоднорідному середовищі кори н мантії. Однак в тридцяті роки і навіть під час Другої світової війни атомна фізика і фізика твердого тіла розвивалися оч нь швидко, і в 1945 р Ельзассер [45 — 50] зміг відкинути всі% томарние процеси в ролі джерел магнітного поля Землі. Розвивалися квантовомеханічні методи дослідження атомів і молекул зробили очевидним, що високі температура і тиск ц земних надрах швидше пригнічують, ніж посилюють термо-електричні кий ефект і тому він абсолютно непридатний для пояснення геомагнітного поля. Виходячи з цього, Ельзассер зробив висновок, що єдиний з можливих механізмів — це індукування токрв і полів рухами в рідкому металевому ядрі. [31]

Це явище називається термоелектричним ефектом. Його фізична природа досить складна, але спрощено його можна пояснити дифузією вільних електронів через робочий спай з провідника з великим їх вмістом в інший провідник, де їх менше. Це явище і використовується для вимірювання температури. [32]

Термоелектричні процеси обумовлюються трьома термоелектричними ефектами. Зеебека, Пельтьє і Томсона, які оборотні та пов’язані один з одним. Одночасно в термоелектричних пристроях мають місце і незворотні процеси: теплопровідність, обумовлена ​​перепадом температур на шарі матеріалу, і процес виділення тепла Джоуля. Ці явища пояснюються тим, що термоелектричні процеси, в результаті яких виникає електричний струм або які є результатом проходження електричного струму по термоелектричної ланцюга, супроводжуються звичайними процесами, що мають місце в теплообмінних апаратах і електричних ланцюгах. [33]

Ще більш сильно проявляється термоелектричний ефект у термоелементі з напівпровідникових матеріалів. Перевага напівпровідникових термопар полягає в тому, що вони дозволяють при тій же різниці температур отримувати великі електрорушійні сили, ніж термопари, виконані з металів. [34]

Ефект Томсона, третій термоелектричний ефект. полягає у виділенні або поглинанні тепла при пропущенні струму через однорідний провідник при наявності градієнта темпі — ратури. [35]

Зе-ебеком в 1821 р термоелектричний ефект полягає в тому, що в ланцюзі проводів, що містять сполуки (спаї) різнорідних металів, виникає електричний струм, якщо нагрівати одне із з’єднань. [36]

За яких умов спостерігається перший термоелектричний ефект. відкритий Зєєбеком. [37]

Теоретичне і експериментальне вивчення термоелектричного ефекту призвело до встановлення деяких закономірностей, які дозволили практично використовувати цей ефект для вимірювання температури. [38]

Цей метод заснований на термоелектричному ефекті. полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з двох різнорідних провідників (термопар), протікає постійний електричний струм, за умови різниці температур обох спаїв. [39]

Цей спосіб заснований на термоелектричному ефекті. сенс якого полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з двох різнорідних провідників (термопара), за умови перепаду температур на спаях провідників виникає постійний електричний струм. [40]

Термоелектричні перетворювачі засновані на термоелектричному ефекті. виникає в ланцюзі термопари. [41]

Ці перетворювачі засновані на термоелектричному ефекті. виникає в ланцюзі термопари. [43]

Термоелектричні перетворювачі засновані на термоелектричному ефекті. виникає в ланцюзі термопари. [44]

У приладах цього виду використовується термоелектричний ефект. Назва пірометри, що означає прилади для вимірювання високих температур, збереглося до наших днів за традицією, хоча тепер цими приладами вимірюють і дуже низькі (до — 200) температури. [45]

Сторінки: 9ensp; 9ensp; 1 9ensp; 9ensp; 2 9ensp; 9ensp; 3 9ensp; 9ensp; 4

Поділитися посиланням:

ТЕРМОЕЛЕКТРИКА, явище прямого перетворення теплоти в електрику в твердих або рідких провідниках, а також зворотне явище прямого нагрівання та охолодження спаїв двох провідників проходять струмом. Термін «термоелектрика» охоплює три взаємопов’язаних ефекту: термоелектричний ефект Зеєбека і електротермічні ефекти Пельтьє і Томсона. Всі вони характеризуються відповідними коефіцієнтами, різними для різних матеріалів. Ці коефіцієнти пов’язані між собою так званими співвідношеннями Кельвіна. Вони визначаються як параметрами спаев, так і властивостями самих матеріалів. Інші явища, в яких беруть участь теплота і електрику, такі, як термоелектронна емісія і теплову дію струму, що описується законом Джоуля ?? Ленца, істотно відрізняються від термоелектричних і електротермічних ефектів і тут не розглядаються. див. також ТЕПЛОТА; Термоелектронної емісії; ТЕРМОДИНАМІКА.

Термоелектричний ефект Зеєбека. У 1820 з’явилося повідомлення Г.Ерстеда про те, що магнітна стрілка відхиляється поблизу проводу з електричним струмом. У 1821 Т.Зеебек зазначив, що стрілка відхиляється також, коли два стику замкнутому електричному ланцюзі, складеної з двох різних провідних матеріалів, підтримуються при різній температурі. Зеєбек спочатку думав, що це чисто магнітний ефект. Але згодом стало ясно, що різниця температур викликає поява електричного струму в ланцюзі (рис. 1). Важливою характеристикою термоелектричних властивостей матеріалів, що становлять ланцюг, є напруга на кінцях розімкнутої ланцюга (тобто коли один з стиків електрично роз’єднаний), так як в замкнутому ланцюзі струм і напруга залежать від питомого електроопору проводів. Ця напруга розімкнутого ланцюга VAB (T1. T2 ), Залежне від температур T1 і T2 спаев (рис. 2), називається термоелектричної електрорушійної силою (термо-ЕРС). Зеєбек заклав основи для подальших робіт в області термоелектрики, вимірявши термо-ЕРС широкого кола твердих і рідких металів, сплавів, мінералів і навіть ряду речовин, нині званих напівпровідниками.

термоелектричний ефект Мал. 1. ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ Ефект Зеєбека. Різниця температур в з’єднаннях провідників A і B викликає поява струму в замкнутому ланцюзі. Напрямок струму залежить від того, для якого з провідників питома термо-ЕРС більше по абсолютній величині. Сила струму залежить від різниці температур (Tгір -Tхол ), Питомих термо-ЕРС обох провідників і від їх питомих опорів.

термоелектричний ефект Мал. 2. ТЕРМОПАРА (термоелементи). При різних температурах спаїв двох провідників A і B виникає напруга на кінцях розімкнутої ланцюга ?? термо-ЕРС термопари. Знак термо-ЕРС залежить від того, для якого з провідників більше по абсолютній величині питома термо-ЕРС. Величина термо-ЕРС термопари залежить від різниці температур і від питомих термо-ЕРС обох провідників.

Електротермічний ефект Пельтьє. У 1834 французький годинникар Ж.Пельтье зауважив, що при проходженні струму через спай двох різних провідників температура спаю змінюється. Як і Зеєбек, Пельтьє спочатку не побачив у цьому електротермічного ефекту. Але в 1838 Е.Х.Ленц, член Петербурзької академії наук, показав, що при досить великій силі струму краплю води, нанесену на спай, можна або заморозити, або довести до кипіння, змінюючи напрямок струму. При одному напрямку струму спай нагрівається, а при протилежному ?? охолоджується. В цьому і полягає ефект Пельтьє (рис. 3), зворотний ефекту Зеєбека.

термоелектричний ефект Мал. 3. електротермічним ЕФЕКТ ПЕЛЬТЬЄ (обернений ефекту Зеєбека). При пропущенні струму по ланцюгу, складеної з провідників A і B, один спай нагрівається, а інший ?? охолоджується. Який саме нагрівається, а який охолоджується ?? це залежить від напрямку струму в ланцюзі.

Електротермічний ефект Томсона. У 1854 У.Томсон (Кельвін) виявив, що якщо металевий провідник нагрівати в одній точці і одночасно пропускати по ньому електричний струм, то на кінцях провідника, рівновіддалених від точки нагріву (рис. 4), виникає різниця температур. На тому кінці, де струм направлений до місця нагріву, температура знижується, а на іншому кінці, де струм направлений від точки нагріву, ?? підвищується. Коефіцієнт Томсона ?? єдиний термоелектричний коефіцієнт, який може бути визначений на однорідному провіднику. Пізніше Томсон показав, що всі три явища термоелектрики пов’язані між собою вже згадуваними вище співвідношеннями Кельвіна.

термоелектричний ефект Мал. 4. електротермічним ЕФЕКТ ТОМСОНА. При пропущенні струму через провідник, що нагрівається в середній точці, один його кінець трохи нагрівається, а інший злегка охолоджується. Який саме нагрівається, а який охолоджується ?? це залежить від напрямку струму в ланцюзі.

Термопара. Якщо матеріали ланцюга рис. 2 однорідні, то термо-ЕРС залежить тільки від обраних матеріалів і від температур спаїв. Це експериментально встановлене положення, зване законом Магнуса, лежить в основі застосування т.зв. термопари ?? пристрою для вимірювання температури, яке має важливе практичне значення. Якщо термоелектричні властивості даної пари провідників відомі і один із спаїв (скажімо, з температурою T1 на рис. 2) підтримується при точно відомої температурі (наприклад, 0 ° C, точці замерзання води), то термо-ЕРС пропорційна температурі T2 іншого спаю. Термопарами з платини і платино-родієвого сплаву вимірюють температуру від 0 до 1700 ° C, з міді і багатокомпонентного сплаву константана ?? від — 160 до +380 ° C, а з золота (з дуже малими добавками заліза) і багатокомпонентного хромелю ?? до значень, лише на частки градуса перевищують абсолютний нуль (0 К, або — 273,16 ° C).

Термо-ЕРС металевої термопари при різниці температур на її кінцях, що дорівнює 100 ° C, ?? величина порядку 1 мВ. Щоб підвищити чутливість вимірювального перетворювача температури, можна з’єднати кілька термопар послідовно (рис. 5). Вийде термобатарея, в якій один кінець всіх термопар знаходиться при температурі T1. а інший ?? при температурі T2. Термо-ЕРС батареї дорівнює сумі термо-ЕРС окремих термопар.

термоелектричний ефект Мал. 5. термобатарея з n однакових термоелементів, з’єднаних послідовно. Термо-ЕРС термобатареї в n разів більше термо-ЕРС одного термоелемента.

Оскільки термопари і їх спаи можуть бути виконані невеликими і їх зручно використовувати в самих різних умовах, вони знайшли широке застосування в пристроях для вимірювання, реєстрації та регулювання температури.

Термоелектричні властивості металів. Ефект Зеєбека зазвичай легше інших термоелектричних ефектів піддається надійним вимірам. Тому його зазвичай і використовують для вимірювання термоелектричних коефіцієнтів невідомих матеріалів. Оскільки термо-ЕРС визначається властивостями обох гілок термопари, одна гілка повинна бути з якогось «опорного» матеріалу, для якого відома «питома» термо-ЕРС (термо-ЕРС на один градус різниці температур). Якщо одна гілка термопари знаходиться в надпровідного стану, то її питома термо-ЕРС дорівнює нулю і термо-ЕРС термопари визначається величиною питомої термо-ЕРС іншої гілки. Таким чином, надпровідник ?? ідеальний «опорний» матеріал для вимірювання питомої термо-ЕРС невідомих матеріалів. До 1986 найвища температура, при якій метал можна було підтримувати в надпровідного стану, становила лише 10 К (- 263 ° C). В даний час надпровідники можна використовувати приблизно до 100 К (- 173 ° C). При більш високих температурах доводиться проводити вимірювання з ненадпровідний опорними матеріалами. До кімнатної і кілька більш високих температур опорним матеріалом зазвичай служить свинець, а при ще більш високих ?? золото і платина. див. також Надпровідності.

Ефект Зеєбека в металах має дві складові ?? одна з них пов’язана з дифузією електронів, а інша зумовлена ​​їх фононною захопленням. Дифузія електронів викликається тим, що при нагріванні металевого провідника з одного кінця на цьому кінці виявляється багато електронів з високою кінетичної енергією, а на іншому ?? мало. Електрони з високою енергією дифундують в сторону холодного кінця до тих пір, поки подальшої дифузії НЕ перешкодить відштовхування з боку надлишкового негативного заряду накопичених тут електронів. Цим накопиченням заряду і визначається компонента термо-ЕРС, пов’язана з дифузією електронів.

Компонента, пов’язана з фононною захопленням, виникає з тієї причини, що при нагріванні одного кінця провідника на цьому кінці підвищується енергія теплових коливань атомів. Коливання поширюються в бік більш холодного кінця, і в цьому русі атоми, зіштовхуючись з електронами, передають їм частину своєї підвищеної енергії і захоплюють їх в напрямку поширення фононів ?? коливань кристалічної решітки. Відповідним накопиченням заряду визначається друга компонента термо-ЕРС.

Обидва процеси (дифузія електронів і їх фононне захоплення) зазвичай призводять до накопичення електронів на холодному кінці провідника. В цьому випадку питома термо-ЕРС за визначенням вважається негативною. Але в деяких випадках через складний розподілу числа електронів з різною енергією в даному металі і через складні закономірностей розсіювання електронів і тих, хто вагається атомів в зіткненнях з іншими електронами і атомами електрони накопичуються на нагреваемом кінці, і питома термо-ЕРС виявляється позитивною. Найбільші термо-ЕРС характерні для термопар, складених з металів з питомими термо-ЕРС протилежного знака. У цьому випадку електрони в обох металах рухаються в одному і тому ж напрямку.

Термоелектричні властивості напівпровідників. У 120 ?? 1930-х роках вчені виявили ряд матеріалів з низькою провідністю, нині званих напівпровідниками, питомі термо-ЕРС яких в тисячі разів більше, ніж у металів. Тому напівпровідники більшою мірою, ніж метали, підходять для виготовлення термобатарей, від яких потрібні великі термо-ЕРС або інтенсивне термоелектричне нагрівання або охолодження. Як і в разі металів, термо-ЕРС напівпровідників мають дві складові (пов’язані з дифузією електронів і з їх фононною захопленням) і можуть бути негативними або позитивними. Найкращі термобатареи виходять з напівпровідників з термо-ЕРС протилежного знака.

Термоелектричні прилади. Якщо створити хороший тепловий контакт однієї групи спаев термобатареи з будь-яким джерелом теплоти, наприклад невеликою кількістю радіоактивної речовини, то на виході термобатареи буде вироблятися напруга. ККД перетворення теплової енергії в електричну в таких термоелектричних генераторах досягає 16 ?? 17% (для паротурбінних електростанцій теплової ККД становить 20 ?? 40%). Термоелектричні генератори знаходять застосування в віддалених точках на Землі (наприклад, в Арктиці) і на міжпланетних станціях, де від джерела живлення потрібні велика довговічність, малі розміри, відсутність рухомих механічних деталей і знижена чутливість до умов навколишнього середовища.

Можна також, приєднавши до затискачів термобатареи джерело струму, пропускати через її термоелементи струм. Одна група спаїв термобатареї буде нагріватися, а інша ?? охолоджуватися. Таким чином, термобатарей можна використовувати або як термоелектричний нагрівач (наприклад, для пляшечок з дитячим харчуванням), або як термоелектричний холодильник. Див. також ХОЛОДИЛЬНА ТЕХНІКА.

Ефективність термоелементів для термоелектричних генераторів оцінюється порівняльним показником якості

де T ?? температура, S ?? питома термо-ЕРС, k ?? питома теплопровідність, а s ?? питома електропровідність. Чим більше S. тим більше термо-ЕРС при даній різниці температур. Чим більше s. тим більше може бути струм в ланцюзі. чим менше k. тим легше підтримувати необхідну різницю температур на спаях термобатареи.

Вейник А.І. термодинамічна пара. Мінськ, 1973
Анатирчук Л.І. та ін. Термоелементи і термоелектричні пристрої. Київ, 1979
термоелектричні охолоджувачі. М. 1 983
Куїнн Т. температура. М. +1986

Термоелектрика

Термоелектрика явище прямого перетворення теплоти в електрику в твердих або рідких провідниках, а також зворотне явище прямого нагрівання та охолодження спаїв двох провідників проходять струмом. Термін «термоелектрика» охоплює три взаємопов’язаних ефекту: термоелектричний ефект Зеєбека і електротермічні ефекти Пельтьє і Томсона. Всі вони характеризуються відповідними коефіцієнтами, різними для різних матеріалів. Ці коефіцієнти пов’язані між собою так званими співвідношеннями Кельвіна. Вони визначаються як параметрами спаев, так і властивостями самих матеріалів. Інші явища, в яких беруть участь теплота і електрику, такі, як термоелектронна емісія і теплову дію струму, що описується законом Джоуля — Ленца, істотно відрізняються від термоелектричних і електротермічних ефектів і тут не розглядаються.
Див. також
теплота;
Термоелектронна Емісія;
Термодинаміка.
Термоелектричний ефект Зеєбека. У 1820 з’явилося повідомлення Г.Ерстеда про те, що магнітна стрілка відхиляється поблизу проводу з електричним струмом. У 1821 Т.Зеебек зазначив, що стрілка відхиляється також, коли два стику замкнутому електричному ланцюзі, складеної з двох різних провідних матеріалів, підтримуються при різній температурі. Зеєбек спочатку думав, що це чисто магнітний ефект. Але згодом стало ясно, що різниця температур викликає поява електричного струму в ланцюзі (рис. 1). Важливою характеристикою термоелектричних властивостей матеріалів, що становлять ланцюг, є напруга на кінцях розімкнутої ланцюга (тобто коли один з стиків електрично роз’єднаний), так як в замкнутому ланцюзі струм і напруга залежать від питомого електроопору проводів. Ця напруга розімкнутого ланцюга VAB (T1, T2), залежне від температур T1 і T2 спаев (рис. 2), називається термоелектричної електрорушійної силою (термо-ЕРС). Зеєбек заклав основи для подальших робіт в області термоелектрики, вимірявши термо-ЕРС широкого кола твердих і рідких металів, сплавів, мінералів і навіть ряду речовин, нині званих напівпровідниками.

термоелектричний ефектМал. 1. ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ Ефект Зеєбека. Різниця температур в з’єднаннях провідників A і B викликає поява струму в замкнутому ланцюзі. Напрямок струму залежить від того, для якого з провідників питома термо-ЕРС більше по абсолютній величині. Сила струму залежить від різниці температур (Tгор-Tхол), питомих термо-ЕРС обох провідників і від їх питомих опорів.

термоелектричний ефектМал. 2. ТЕРМОПАРА (термоелементи). При різних температурах спаїв двох провідників A і B виникає напруга на кінцях розімкнутої ланцюга — термо-ЕРС термопари. Знак термо-ЕРС залежить від того, для якого з провідників більше по абсолютній величині питома термо-ЕРС. Величина термо-ЕРС термопари залежить від різниці температур і від питомих термо-ЕРС обох провідників.

Електротермічний ефект Пельтьє. У 1834 французький годинникар Ж.Пельтье зауважив, що при проходженні струму через спай двох різних провідників температура спаю змінюється. Як і Зеєбек, Пельтьє спочатку не побачив у цьому електротермічного ефекту. Але в 1838 Е.Х.Ленц, член Петербурзької академії наук, показав, що при досить великій силі струму краплю води, нанесену на спай, можна або заморозити, або довести до кипіння, змінюючи напрямок струму. При одному напрямку струму спай нагрівається, а при протилежному — охолоджується. В цьому і полягає ефект Пельтьє (рис. 3), зворотний ефекту Зеєбека.

термоелектричний ефектМал. 3. електротермічним ЕФЕКТ ПЕЛЬТЬЄ (обернений ефекту Зеєбека). При пропущенні струму по ланцюгу, складеної з провідників A і B, один спай нагрівається, а інший — охолоджується. Який саме нагрівається, а який охолоджується — це залежить від напрямку струму в ланцюзі.

Електротермічний ефект Томсона. У 1854 У. Томсон (Кельвін) виявив, що якщо металевий провідник нагрівати в одній точці і одночасно пропускати по ньому електричний струм, то на кінцях провідника, рівновіддалених від точки нагріву (рис. 4), виникає різниця температур. На тому кінці, де струм направлений до місця нагріву, температура знижується, а на іншому кінці, де струм направлений від точки нагріву, — підвищується. Коефіцієнт Томсона — єдиний термоелектричний коефіцієнт, який може бути визначений на однорідному провіднику. Пізніше Томсон показав, що всі три явища термоелектрики пов’язані між собою вже згадуваними вище співвідношеннями Кельвіна.

термоелектричний ефектМал. 4. електротермічним ЕФЕКТ ТОМСОНА. При пропущенні струму через провідник, що нагрівається в середній точці, один його кінець трохи нагрівається, а інший злегка охолоджується. Який саме нагрівається, а який охолоджується — це залежить від напрямку струму в ланцюзі.

Термопара. Якщо матеріали ланцюга рис. 2 однорідні, то термо-ЕРС залежить тільки від обраних матеріалів і від температур спаїв. Це експериментально встановлене положення, зване законом Магнуса, лежить в основі застосування т.зв. термопари — пристрої для вимірювання температури, яке має важливе практичне значення. Якщо термоелектричні властивості даної пари провідників відомі і один із спаїв (скажімо, з температурою T1 на рис. 2) підтримується при точно відомої температурі (наприклад, 0В ° C, точці замерзання води), то термо-ЕРС пропорційна температурі T2 іншого спаю. Термопарами з платини і платино-родієвого сплаву вимірюють температуру від 0 до 1700В ° C, з міді і багатокомпонентного сплаву константана — від -160 до + 380 ° C, а з золота (з дуже малими добавками заліза) і багатокомпонентного хромелю — до значень, лише на частки градуса перевищують абсолютний нуль (0 К, або -273,16В ° C). Термо-ЕРС металевої термопари при різниці температур на її кінцях, що дорівнює 100В ° C, — величина порядку 1 мВ. Щоб підвищити чутливість вимірювального перетворювача температури, можна з’єднати кілька термопар послідовно (рис. 5). Вийде термобатарея, в якій один кінець всіх термопар знаходиться при температурі T1, а інший — при температурі T2. Термо-ЕРС батареї дорівнює сумі термо-ЕРС окремих термопар.

термоелектричний ефект
Мал. 5. термобатарея з n однакових термоелементів, з’єднаних послідовно. Термо-ЕРС термобатареї в n разів більше термо-ЕРС одного термоелемента.

Оскільки термопари і їх спаи можуть бути виконані невеликими і їх зручно використовувати в самих різних умовах, вони знайшли широке застосування в пристроях для вимірювання, реєстрації та регулювання температури.
Термоелектричні властивості металів. Ефект Зеєбека зазвичай легше інших термоелектричних ефектів піддається надійним вимірам. Тому його зазвичай і використовують для вимірювання термоелектричних коефіцієнтів невідомих матеріалів. Оскільки термо-ЕРС визначається властивостями обох гілок термопари, одна гілка повинна бути з якогось «опорного» матеріалу, для якого відома «питома» термо-ЕРС (термо-ЕРС на один градус різниці температур). Якщо одна гілка термопари знаходиться в надпровідного стану, то її питома термо-ЕРС дорівнює нулю і термо-ЕРС термопари визначається величиною питомої термо-ЕРС іншої гілки. Таким чином, надпровідник — ідеальний «опорний» матеріал для вимірювання питомої термо-ЕРС невідомих матеріалів. До 1986 найвища температура, при якій метал можна було підтримувати в надпровідного стану, становила лише 10 К (-263В ° C). В даний час надпровідники можна використовувати приблизно до 100 К (-173В ° C). При більш високих температурах доводиться проводити вимірювання з ненадпровідний опорними матеріалами. До кімнатної і кілька більш високих температур опорним матеріалом зазвичай служить свинець, а при ще більш високих — золото і платина.
Див. також Надпровідність. Ефект Зеєбека в металах має дві складові — одна з них пов’язана з дифузією електронів, а інша зумовлена ​​їх фононною захопленням. Дифузія електронів викликається тим, що при нагріванні металевого провідника з одного кінця на цьому кінці виявляється багато електронів з високою кінетичної енергією, а на іншому — мало. Електрони з високою енергією дифундують в сторону холодного кінця до тих пір, поки подальшої дифузії НЕ перешкодить відштовхування з боку надлишкового негативного заряду накопичених тут електронів. Цим накопиченням заряду і визначається компонента термо-ЕРС, пов’язана з дифузією електронів. Компонента, пов’язана з фононною захопленням, виникає з тієї причини, що при нагріванні одного кінця провідника на цьому кінці підвищується енергія теплових коливань атомів. Коливання поширюються в бік більш холодного кінця, і в цьому русі атоми, зіштовхуючись з електронами, передають їм частину своєї підвищеної енергії і захоплюють їх в напрямку поширення фононів — коливань кристалічної решітки. Відповідним накопиченням заряду визначається друга компонента термо-ЕРС. Обидва процеси (дифузія електронів і їх фононне захоплення) зазвичай призводять до накопичення електронів на холодному кінці провідника. В цьому випадку питома термо-ЕРС за визначенням вважається негативною. Але в деяких випадках через складний розподілу числа електронів з різною енергією в даному металі і через складні закономірностей розсіювання електронів і тих, хто вагається атомів в зіткненнях з іншими електронами і атомами електрони накопичуються на нагреваемом кінці, і питома термо-ЕРС виявляється позитивною. Найбільші термо-ЕРС характерні для термопар, складених з металів з питомими термо-ЕРС протилежного знака. У цьому випадку електрони в обох металах рухаються в одному і тому ж напрямку.
Термоелектричні властивості напівпровідників. У 1920-1930-х роках вчені виявили ряд матеріалів з низькою провідністю, нині званих напівпровідниками, питомі термо-ЕРС яких в тисячі разів більше, ніж у металів. Тому напівпровідники більшою мірою, ніж метали, підходять для виготовлення термобатарей, від яких потрібні великі термо-ЕРС або інтенсивне термоелектричне нагрівання або охолодження. Як і в разі металів, термо-ЕРС напівпровідників мають дві складові (пов’язані з дифузією електронів і з їх фононною захопленням) і можуть бути негативними або позитивними. Найкращі термобатареи виходять з напівпровідників з термо-ЕРС протилежного знака.
Термоелектричні прилади. Якщо створити хороший тепловий контакт однієї групи спаев термобатареи з будь-яким джерелом теплоти, наприклад невеликою кількістю радіоактивної речовини, то на виході термобатареи буде вироблятися напруга. ККД перетворення теплової енергії в електричну в таких термоелектричних генераторах досягає 16-17% (для паротурбінних електростанцій теплової ККД становить 20-40%). Термоелектричні генератори знаходять застосування в віддалених точках на Землі (наприклад, в Арктиці) і на міжпланетних станціях, де від джерела живлення потрібні велика довговічність, малі розміри, відсутність рухомих механічних деталей і знижена чутливість до умов навколишнього середовища. Можна також, приєднавши до затискачів термобатареи джерело струму, пропускати через її термоелементи струм. Одна група спаїв термобатареї буде нагріватися, а інша — охолоджуватися. Таким чином, термобатарей можна використовувати або як термоелектричний нагрівач (наприклад, для пляшечок з дитячим харчуванням), або як термоелектричний холодильник.
Див. також Холодильна Техніка. Ефективність термоелементів для термоелектричних генераторів оцінюється порівняльним показником якості Z = (S2sT) / k, де T — температура, S — питома термо-ЕРС, k — питома теплопровідність, а s — питома електропровідність. Чим більше S, тим більше термо-ЕРС при даній різниці температур. Чим більше s, тим більше може бути струм в ланцюзі. Чим менше k, тим легше підтримувати необхідну різницю температур на спаях термобатареи.
ЛІТЕРАТУРА
Вейник А.І. Термодинамічна пара. Мінськ, 1973 Анатирчук Л.І. та ін. Термоелементи і термоелектричні пристрої. Київ, 1979 Термоелектричні охолоджувачі. М. 1 983 Куїнн Т. Температура. М. +1986

термоелектричний ефектДив. Також `Термоелектрічество` в інших словниках

ТЕРМОЕЛЕКТРИКА. сукупність фізичних явищ, обумовлених взаємозв’язком між теплотою і електрики. Джеймс ДЖОУЛЬ описав необоротну конверсію теплоти в електрику. Однак існують три оборотних ефекту. Ефект Зеєбека полягає в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з різнорідних провідників, виникає струм, якщо в місцях з’єднань провідників підтримується різна температура. На цьому засновано ПРИСТРІЙ термопари. ЕФЕКТ пелетів є зворотним ефектом перетворення електричної енергії в теплову. Кельвін відкрив третій термоелектричний ефект, названий ефектом Томпсона: якщо на кінцях провідника встановити різну температуру, на них виникає різниця потенціалів. Якщо електричний струм йде від холодного до горя.

пор. Безпосереднє перетворення теплової енергії в електричну в ланцюзі з різнорідних провідників.

Термоелектричні ефекти в напівпровідниках

Термоелектрика — явище прямого перетворення теплоти в електрику в твердих або рідких провідниках, а також зворотне явище прямого нагрівання та охолодження спаїв двох провідників проходять струмом [1 Л]. Термін «термоелектрика» охоплює три взаємопов’язаних ефекту: термоелектричний ефект Зеєбека і електротермічні ефекти Пельтьє і Томсона. Всі вони характеризуються відповідними коефіцієнтами, різними для різних матеріалів. Ці коефіцієнти пов’язані між собою так званими співвідношеннями Кельвіна. Вони визначаються як параметрами спаев, так і властивостями самих матеріалів. Інші явища, в яких беруть участь теплота і електрику, такі, як термоелектронна емісія і теплову дію струму, що описується законом Джоуля — Ленца, істотно відрізняються від термоелектричних і електротермічних ефектів і тут не розглядаються.

Відкриття ефекту Зєєбеком відбулося в 1921р. Складається ефект в тому, що в замкнутій ланцюга, що складається з різнорідних провідників, виникає термо-ЕРС, якщо місця контактів підтримують при різних температурах. Ланцюг, яка складається тільки з двох різних провідників, називається термоелементом або термопарою.

Величина виникає термоЕРС в першому наближенні залежить тільки від матеріалу провідників і температур гарячого ( термоелектричний ефект) І холодного ( термоелектричний ефект) Контактів.

У невеликому інтервалі температур термоедс термоелектричний ефект можна вважати пропорційною різниці температур:

де термоелектричний ефект — термоелектрична здатність пари (або коефіцієнт термоерс).

У найпростішому випадку коефіцієнт термоерс визначається тільки матеріалами провідників, однак, строго кажучи, він залежить і від температури, і в деяких випадках зі зміною температури термоелектричний ефект змінює знак.

Більш коректний вираз для термо-:

Виникнення ефекту Зеєбека викликано декількома складовими.

Різна залежність середньої енергії електронів від температури в різних речовинах.

Якщо уздовж провідника існує градієнт температур, то електронина гарячому кінці набувають вищих енергії і швидкості, ніж на холодному; Вполупроводнікахв додаток до цього концентрація електронів провідності зростає з температурою. В результаті виникає потік електронів від гарячого кінця до холодного і на холодному кінці накопичується отріцательнийзаряд, а на гарячому залишається нескомпенсований позитивний заряд. Процес накопичення заряду продовжується до тих пір, поки що виникла різниця потенціалів не викличе потік електронів в зворотному напрямку, рівний первинному, завдяки чому встановиться рівновага.

ЕРС, виникнення якої описується даними механізмом, називається об’ємною ЕРС.

Різна залежність від температури контактної різниці потенціалів.

Контактна різниця потенціалів викликана відмінністю енергій Фермі контактують різних провідників. При створенні контактахіміческіе потенціалиелектронов стають однаковими, і вознікаетконтактная різниця потенціалів, що дорівнює

де термоелектричний ефект — енергія Фермі,

На контакті тим самим існує електричне поле, локалізоване в тонкому Пріконтактние шарі. Якщо скласти замкнутий ланцюг з двох металів, то U виникає на обох контактах. Електричне поле буде направлено однаковим чином в обох контактах — від більшого F до меншого. Це означає, що якщо зробити обхід по замкнутому контуру, то в одному контакті обхід відбуватиметься по полю, а в іншому — проти поля. Циркуляція вектораЕ тим самим буде дорівнює нулю.

Якщо температура одного з контактів зміниться на dT, то, оскільки енергія Фермі залежить від температури, U також зміниться. Але якщо змінилася внутрішня контактна різниця потенціалів, то змінилося електричне поле в одному з контактів, і тому циркуляція вектора Е буде відмінна від нуля, тобто з’являється ЕРС в замкнутому ланцюзі.

Дана ЕРС називається контактна ЕРС.

Якщо обидва контакти термоелемента знаходяться при одній і тій же температурі, то і контактна, і об’ємна термоедс зникають.

Електротермічний ефект Пельтьє

Ефект термоелектричного охолодження був відкритий і описаний в 1834 році французьким фізиком Жаном Пельтьє [1]. Це явище полягає в тому, що при проходженні постійного електричного струму через контакт двох різнорідних напівпровідників на цьому контакті в залежності від напрямку струму поглинається або виділяється тепло

де QП — теплота Пельтьє, Дж;

П — коефіцієнт Пельье, В;

Причина виникнення ефекту Пельтьє на контакті напівпровідників з однаковим видом носіїв струму (два напівпровідника n-типу або два напівпровідника p-типу) така ж, як і в разі контакту двох металевих провідників. Носії струму (електрони або дірки) по різні боки спаю мають різну середню енергію, яка залежить від багатьох причин: енергетичного спектру, концентрації, механізму розсіяння носіїв заряду. Якщо напрямок струму таке, що носії струму з більшою енергією, пройшовши через спай, потрапляють в область з меншою енергією, вони передають надлишок енергії кристалічній решітці, в результаті чого поблизу контакту відбувається виділення теплоти Пельтьє (QП >0) і температура контакту підвищується. Якщо ж напрямок струму таке, що носії струму з меншою енергією, переходячи в область з більшою енергією, запозичують відсутню енергію від решітки, відбувається поглинання теплоти Пельтьє (QП <0) і зниження температури контакту.

Ефект Пельтьє виражений особливо сильно в ланцюгах, складених з електронних (n-тип) і діркових (р-тип) напівпровідників. В цьому випадку ефект Пельтьє має інше пояснення. Якщо струм в контакті йде від діркового напівпровідника до електронного, при цьому електрони і дірки рухаються назустріч один одному і, зустрівшись, рекомбинируют, то в результаті рекомбінації, відповідно до рис. 1, звільняється енергія, яка виділяється у вигляді тепла.

термоелектричний ефект

Мал. 1 — Схема виділення тепла Пельтьє на контакті напівпровідників

Якщо ж струм йде від електронного напівпровідника до Діркові, як представлено на рис. 2, при цьому електрони в електронному та дірки в дірковому напівпровідниках рухаються в протилежні сторони, йдучи від кордону розділу, то спад носіїв струму в прикордонній області заповнюється за рахунок попарного народження електронів і дірок.

термоелектричний ефект

Мал. 2 — Схема поглинання тепла Пельтьє на контакті напівпровідників

На освіту таких пар потрібна енергія, яка поставляється тепловими коливаннями атомів решітки. Утворені електрони і дірки захоплюються в протилежні сторони електричним полем. Тому поки через контакт йде струм, безперервно відбувається народження нових пар. В результаті в контакті тепло буде поглинатися.

Електротермічний ефект Томсона

Ефект Томсона — одне з термоелектричних явищ, що полягає в тому, що в однорідному нерівномірно нагрітому провіднику з постійним струмом, додатково до теплоти, що виділяється відповідно до закону Джоуля — Ленца, в обсязі провідника буде виділятися або поглинатися додаткова теплота Томсона в залежності від напрямку струму [1] (рис. 3).

Кількість теплоти Томсона пропорційно силі струму, часу і перепаду температур, залежить від напрямку струму. Ефект відкритий В. Томсоном в 1856 р

Пояснення ефекту в першому наближенні полягає в наступному. В умовах, коли вздовж провідника, по якому протікає струм, існує градієнт температури, причому напрямок струму відповідає руху електронів від гарячого кінця до холодного, при переході з більш гарячого перетину в більш холодну, електрони передають надлишкову енергію оточуючим атомам (виділяється теплота), а при зворотному напрямку струму, проходячи з більш холодного ділянки в більш гарячий, поповнюють свою енергію за рахунок оточуючих атомів (теплота поглинається).

термоелектричний ефект

Мал. 3. Схема виникнення ефекту Томсона

У напівпровідниках важливим є те, що концентрація носіїв в них сильно залежить від температури. Якщо напівпровідник нагрітий нерівномірно, то концентрація носіїв заряду в ньому буде більше там, де вище температура, тому градієнт температури призводить до градієнту концентрації, внаслідок чого виникає дифузійний потік носіїв заряду. Це призводить до порушення електронейтральності. Поділ зарядів породжує електричне поле, що перешкоджає поділу. Таким чином, якщо в напівпровіднику є градієнт температури, то в ньому є об’ємне електричне поле E ‘.

Припустимо тепер, що через такий зразок пропускається електричний струм під дією зовнішнього електричного поля E. Якщо струм йде проти внутрішнього поля E ‘, то зовнішнє поле повинно здійснювати додаткову роботу при переміщенні зарядів щодо поля E’, що призведе до виділення тепла, додаткового до Ленц -джоулевим втрат. Якщо струм (або зовнішнє поле E) спрямований по E ‘, то E’ саме робить роботу з переміщення зарядів для створення струму. У цьому випадку зовнішнє джерело витрачає енергію для підтримки струму меншу, ніж в тому випадку, коли внутрішнього поля E ‘немає. Робота поля E ‘може відбуватися тільки за рахунок теплової енергії самого провідника, тому він охолоджується. Явище виділення або поглинання тепла в провіднику, обумовлене градієнтом температури, при проходженні струму носить назву ефекту Томсона [1]. Таким чином, речовина нагрівається, коли поля E і E ‘протилежно спрямовані, і охолоджується, коли їх напрямки збігаються.

У загальному випадку, кількість тепла, що виділяється в обсязі dV, визначається співвідношенням:

де τ — коефіцієнт Томсона.

Властивості і застосуваннятермоелектричних матеріалів на основі твётдих розчинів халькогенідів вісмуту — сурми.

З’єднання на основі телуриду вісмуту Bi2Te3 є одними з найбільш відомих матеріалів, використовуваних в високоефективних ТЕ модулях. Подвійні сполуки Bi2 Te3 і Sb2 Te3 відхиляються від стехіометрії в сторону елементів п’ятої групи [4]. У Bi2Te3 спостерігається відхилення від стехіометрії в сторону надлишку вісмуту тільки при високих температурах, близьких до початку кристалізації. Зі зниженням температури область гомогенності на основі Bi2Te3 розширюється, і нижче 484 ° С стехіометричний склад лежить всередині цієї області. Тому кристали, отримані безпосередньо з стехиометрического розплаву, мають р-тип провідності. У Sb2 Te3 область гомогенності лежить поза стехіометричного складу і з’єднання Sb2 Te3 має стійкий р-тип провідності.

В системі Bi — Te, діаграма якій зображена на рис. 4, утворюються сім проміжних фаз: Bi7 Te9. Bi6 Te7. Bi4 Te5. Bi4 Te3. Bi2 Te, BiTe і Bi2 Te3 [11]. Фаза Bi2Te3 плавиться конгруентно, інші сполуки — інконгруентно.

Встановлено, що максимум температури плавлення Bi2Te3 зміщений від стехіометричного складу в бік надлишку Bi, атомна частка Ті становить 59,94 — 59,96%. Внаслідок цього з стехиометрического розплаву кристалізується з’єднання з надлишком Bi щодо стехіометрії. Зсув стехиометрии призводить до того, що кристали телуриду вісмуту, отримані кристалізацією з розплаву стехіометричного складу, мають провідність р-типу.

Солідус з боку, багатої вісмутом, має ретроградний характер. Температура плавлення Bi2Te3 становить 584,9 ° С при атомної частки теллура 59,90%.

Діаграма стану Sb-Teпоказана на рис.5.

термоелектричний ефект

Рис.7 — Просторове зображення частини Sb2 Te3 — Bi2 Te3 потрійної системи

Кордон максимально насиченого теллуром δ-твердого розчину, рівноважного з рідиною рівноважного складу, проходить через точки А і В. Лінія С — D межа δ-твердого розчину, максимально насиченого теллуром при відповідних температурах початку кристалізації подвійної евтектики δ + Te. Лінія Е1 — Е2 — проекція моноваріантной евтектичною кривої спільної кристалізації δ-твердого розчину з телуром, що проходить від системи Sb — Te до системи Bi — Te. Ретроградна розчинність телуру в δ-фазі, яка спостерігається в Sb2Te3, поступово переходить в звичайну границю розчинності, зростаючу з пониженням температури, як це має місце в системі Bi — Te.

У сплавах Bi2Te3 — Sb2Te3 стехіометричного складу, багатих Sb2Te3 і вирощених з розплаву методами Чохральського, Бриджмена — Стокбаргера і зонної плавкою завжди має місце виділення кристалів δ-фази, склад якої визначається температурою початку кристалізації.

Області застосування термоелектричних матеріалів.

Матеріали на основі твердих розчинів халькогенідів вісмуту, телуру і сурми широко застосовуються для виготовлення термоелектричних перетворювачів енергії для прямого перетворення теплової енергії в електричну.

термоелектричні модулі використовуються для виробництва електроенергії шляхом прямого перетворення тепла в електрику. при нагріванні термоелектричного модуля. підключеного до електричного кола, виробляється електроенергія. Таким властивістю володіють термоелектричні генераторні модулі (ТГМ).

В даний час термоелектричні модулі активно використовуються в таких високотехнологічних галузях, як телекомунікації, космос, високоточна зброя, медицина та ін. Побудова сучасних лазерних, оптичних, радіоелектронних систем немислимо без застосування охолоджуючих і термостатіруемого систем на базі термоелектричних модулів. Також термоелектричні модулі активно застосовуються в побутовій техніці: портативних холодильниках, морозильних камерах, в охолоджувачах для питної води і напоях, компактних кондиціонерах і т.п.

Основні області застосування термоелектричних модулів і систем на їх основі:

Радіоелектроніка — мініатюрні охолоджувачі різних електронних пристроїв

Медицина — мобільні охолоджувальні контейнери, медичні інструменти та обладнання

Наукове та лабораторне обладнання

Споживчі вироби — переносні холодильники, охолоджувачі питної води та інші пристрої

Пристрої кліматизації — термоелектричні кондиціонери різного призначення, пристрої стабілізації температури блоків електронної апаратури і т.д.

Широкі перспективи має застосування ТЕМ в генеруванні електроенергії.

Термоелектричний генератор дозволяє безпосередньо отримувати електрику з будь-якого джерела тепла. Перевагою термоелектричного генератора є відсутність обертових, що труться і інших зношуються.

Переваги використання термоелектричних модулів.

Охолоджуючі пристрої на основі термоелектричних модулів (елементи Пельтьє) виконують ті ж функції, що і традиційні компресійні або абсорбція агрегати холодильників, що працюють на основі хладагентов.

Звичайний спосіб охолодження апаратури і пристроїв за допомогою радіаторів складається в загальному випадку в прийомі на себе радіатором виділяється охолоджуваних об’єктом тепла, розподілом прийнятого тепла за своїм внутрішнім обсягом радіатора і розсіювання тепла з оребрені поверхні. Незалежно від конструкції радіатора його температура завжди буде нижче температури охолоджуваного об’єкта відповідно до закону термодинаміки. Для інтенсифікації теплового обміну, можливості отримання температури охолоджуваного об’єкта нижче температури навколишнього середовища служать термоелектричні модулі (елементи Пельтьє), що виконують функцію теплових насосів.

Використання термоелектричних модулів має ряд переваг:

відсутність рухомих і зношуються частин

відсутність робочих рідин і газів

малий розмір і вага

можливість плавного і точного регулювання холодопродуктивності і температурного режиму

стійкість до механічних впливів

можливість роботи в будь-якому просторовому положенні

легкість переходу з режиму охолодження в режим нагріву

Зазначені переваги роблять термоелектричні модулі дуже популярними, що підтверджується постійним зростанням попиту на них у всьому світі і виникненням нових областей їх використання.

Термоелектрична ефективність і шляхи її підвищення.

Отримання і перетворення енергії — одне з найважливіших напрямків діяльності сучасної цивілізації, що лежить в самій основі її існування. Оскільки найбільш зручна і універсальна форма енергії для практичних застосувань — електрична, то особливе значення має розробка найбільш ефективних методів її отримання, і пошук таких методів ніколи не зупинявся. Дуже гостро постало питання про підвищення ефективності перетворення теплової енергії в електричну через відчувається в даний час брак викопних видів палива і викиду тепловими електростанціями величезної кількості газів, що викликають парниковий ефект і глобальне зміна клімату.

Велика увага була звернена в зв’язку з цим на твердотільні термоелектричні перетворювачі. Останні мають ряд переваг перед традиційними електричними генераторами: простота конструкції, відсутність рухомих частин, безшумність роботи, висока надійність, можливість мініатюризації без втрати ефективності. Вони використовуються і в екологічно чистих холодильних агрегатах, оскільки перетворення енергії з їх допомогою можливо в обох напрямках. Однак сьогодні забезпечується термоелектричними пристроями ефективність перетворення нижче, ніж у електричних генераторів або холодильників звичайної конструкції, і тому вони не набули широкого поширення в промисловості. У той же час є ряд областей застосування, де їх гідності переважують їх недоліки. Вони використовуються як джерела електрики на космічних апаратах і в наручний годинник, застосовуються в портативних холодильних агрегатах в побуті, в електронному, медичному і науковому обладнанні, зокрема для охолодження інфрачервоних приймачів і оптоелектронних пристроїв, і навіть для кондиціонування сидінь в автомобілях вищого класу. Однак для по-справжньому широких промислових застосувань термоелектричних перетворювачів енергії необхідно істотне підвищення їх ефективності.

Основною характеристикою термоелектричного матеріалу, яка визначає функціональну придатність і ефективність виготовляються на його основі перетворювачів енергії, є його добротність (термоелектрична ефективність), що має розмірність зворотної температури, яка залежить тільки від фізичних властивостей матеріалу перетворювача.

де  — коефіцієнт термоерс;  — електропровідність; æ — теплопровідність

Нею найчастіше користуються у вигляді безрозмірною комбінації

Де Т — робоча температура

При підвищенні термоелектричної ефективності енергетичні характеристики пристроїв поліпшуються. Величини α, σ і κ в свою чергу залежать від основних фізичних параметрів речовини, таких, як теплопровідність решітки κр. рухливість μ, і ефективна маса m * носіїв заряду.

Максимальну величину Z відповідає певна концентрація носіїв заряду, яка досягається введенням легуючих домішок або ж зміщенням складу матеріалу щодо стехіометричного.

Таким чином, отримання високоефективних термоелектричних матеріалів на основі Bi2Te3 пов’язано з дослідженням їх фізико-хімічних властивостей і визначенням легирующего дії домішок, з вивченням явищ переносу, зонної структури та впливу технологічних умов на структуру і властивості.

Згідно наведеної формулі (1) високоякісний термоелектричний матеріал повинен одночасно мати високу електропровідність, велику термоЕРС і низьку теплопровідність. ТермоЕРС і провідність визначаються тільки електронними властивостями матеріалу, теплопровідність, навпроти, є сума електронного вкладу κе і теплопровідності кристалічної решітки κр. Теплопровідність кристалічної решітки — здатність іонів, що знаходяться у взаємодії між собою, приймати теплову енергію і передавати її. Теплопровідність електронного газу — навпаки, якщо немає взаємодії з гратами, то, скільки електронний газ отримав енергії, стільки він її і переніс. При дуже сильній взаємодії з гратами електрон отримує енергію, але фактично не переносить її.

Відповідно до закону Видемана — Франца електропровідність σ прямо пропорційна електронної теплопровідності κе. Збільшення провідності супроводжується не тільки зростанням електронної теплопровідності, але і зазвичай падінням термоЕРС, так що оптимізувати величину ZT виявляється не просто. У природі немає таких матеріалів, які мали б одночасно великі значення термоЕРС і малі значення теплового опору. Суперечність полягає в тому, що високу електропровідність забезпечують електрони за рахунок слабкої взаємодії з кристалічною решіткою, а й частка теплоти, яку переносять електрони, дуже значна. Тому існує завдання створення матеріалу з високою термоелектричної добротністю, тобто з раціональними коефіцієнтами термоЕРС, теплопровідності і електропровідності.

В даний час широку популярність отримало вивчення і виробництво об’ємних наноструктурованих термоелектричних матеріалів. Наноструктури — це структури, характерні фізичні розміри яких дорівнюють нанометрів, т. Е. 10-9 — 10-7м. Коли фізичні розміри тіла в одному або декількох вимірах зменшуються до нанометрів, фактори, що визначають електронна будова, змінюються завдяки виникають квантовим ефектам. Збільшення термоелектричної ефективності в наноструктурованих термоелектриків в основному пов’язано зі зменшенням ґратчастої теплопровідності в результаті зростання розсіювання фононів на кордонах нанозёрен і структурних дефектах всередині зерен.

Вибір оптимальної концентрації носіїв струму.

Один з найпростіших з технологічної точки зору метод поліпшення термоелектричних властивостей напівпровідникового матеріалу — вибір оптимального рівня легування, т. Е. Такого, який забезпечує максимальне значення термоелектричної добротності. Існування оптимального рівня концентрації електронів пов’язане з тим, що при збільшенні електронної концентрації провідність зазвичай зростає, а термоЕРС падає. Це падіння можна зрозуміти, якщо згадати механізм виникнення термоЕРС.

Якщо в зразку з електронною провідністю існує перепад температури, то електрони на гарячому кінці мають більш високі енергії і швидкості, ніж на холодному, і більш інтенсивно дифундують до холодного кінця, ніж рухаються їм на зустріч електрони з холодного кінця, мають менші енергії і швидкості. В результаті виникає потік електронів з гарячого кінця на холодний, і на холодному кінці утворюється негативний заряд, а на гарячому залишається нескомпенсований позитивний. Таким чином виникає об’ємна термоЕРС.

Ясно, що якщо матеріал містить носії заряду різних знаків, то їх вклади в термоЕРС будуть відніматися, тому що і електрони, і дірки йдуть з гарячого кінця зразка на холодний, однак приносять з собою заряди протилежного знака. З цієї причини хороший матеріал для термоелектричних застосувань повинен мати монополярну провідність.

Повернемося тепер до залежності термоЕРС від концентрації носіїв заряду. При збільшенні концентрації газ носіїв заряду стає виродженим, коли рівень Фермі EF (електрохімічний потенціал) потрапляє в зону провідності, а енергія Фермі, т. Е. Відстань від рівня Фермі до дна цієї зони, перевершує kБТ (де Кб — константа Больцмана). Енергія і швидкість часток визначаються при цьому величиною енергії Фермі і майже не залежать від температури, тому електронні потоки з холодного і гарячого кінців зразка розрізняються незначно і термоЕРС виявляється мала.

Значно більших значень термоЕРС і термоелектричної добротності можна очікувати в разі напівпровідників і полуметаллов в умовах, коли концентрація не дуже мала, але сильне виродження відсутня.

Найбільше значення (σ термоелектричний ефект α2) в матеріалі n-типу виходить, коли рівень Фермі електронів лежить поблизу краю зони провідності. В цьому випадку сильного виродження ще немає, а асиметрія щільності станів і вкладів носіїв заряду електронного та діркового типу значна. Крім того, при такому положенні рівня Фермі виявляється дуже мала концентрація дірок, що зменшують термоЕРС в матеріалі з електронною провідністю.

Залежність електропровідності, термо і теплопровідності від концентрації електронів і дірок представлена ​​на малюнку 7.

термоелектричний ефект




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *